省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目建設探討

祖 強， 魏永軍， 熊宏齊

(1. 南京中醫藥大學 教務處， 江蘇 南京 210023； 2. 江蘇省教育廳 高教處， 江蘇 南京 210024；3. 東南大學 實驗室與設備管理處， 江蘇 南京 210096)

省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目建設探討

祖 強1， 魏永軍2， 熊宏齊3

(1. 南京中醫藥大學 教務處， 江蘇 南京 210023； 2. 江蘇省教育廳 高教處， 江蘇 南京 210024；3. 東南大學 實驗室與設備管理處， 江蘇 南京 210096)

在線開放虛擬仿真實驗教學項目是深化實驗教學供給側結構性改革的成果，也是信息技術與實驗教學深度融合的必然產物。江蘇省于2016年率先在全國開展了省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目的遴選建設工作。該文從省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目建設現狀、建設路徑及建設展望3個維度出發，對虛擬仿真實驗教學項目的內涵、外延及可持續發展進行有益探討。

虛擬仿真; 實驗教學項目； 在線開放； 資源共享

在線開放虛擬仿真實驗教學項目是深化實驗教學供給側結構性改革的成果，也是信息技術與實驗教學深度融合的必然產物。自2013年教育部在全國啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來，我省普通本科高校共獲批31個國家級虛擬仿真實驗教學中心(位居全國第二位，僅次于北京)，占全國總數(300個)10.33%。平均每個中心開設虛擬仿真實驗教學項目百余項，并且項目運用的信息化技術日趨成熟先進。目前，虛擬仿真實驗教學已從強調信息化網絡平臺建設的初始階段，進入到強調優質項目資源建設與應用的深入發展階段。為貫徹落實教育部《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》和《江蘇省“十三五”教育信息化發展專項規劃》要求，促進虛擬仿真實驗教學資源在線開放和高效利用，我省于2016年率先在全國開展了省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目的遴選建設工作。

1 建設現狀及分析

1.1 學科專業門類分布情況

96個項目(含培育項目)涵蓋材料化工、車輛工程、電子信息、理學等10個學科專業門類，見表1。

表1 省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目的學科專業門類分布

從表1可以看出電子信息類由于具有與信息技術天然親和的優勢，開發項目占比最高。醫學類涉及不可及或不可逆操作，材料化工類涉及高危或極端環境以及高成本、高消耗，文科綜合類涉及大型或綜合訓練，這3類緊隨著電子信息類，并列第二?？傮w上，67.71%的項目集中在理工類，說明項目開展的實驗是以真實實驗平臺無法開展的、復雜性比較大的、存在潛在危險的以及成本比較高的實驗居多[1]。

1.2 高校分布狀況

96個項目分布在35所普通本科高校(見圖1)，其高校隸屬關系見表2。

圖1 省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目高校分布狀況

學校隸屬關系學校/所擁有數/個平均數/(個/校)部屬高校8243.00省屬高校27722.67

從統計數據可以看出，在96個項目中，部屬高校與省屬高校平均數量比例接近1∶1，說明在項目建設上所有高校的起步是相同的，資源是均衡發展的[1]。

“985工程”高校、“211工程”高校、博士授權高校、碩士授權高校的項目情況見表3。

表3 按類型的高校省級在線開放虛擬仿真實驗項目數量

可以看出博士授權高校由于在國家級虛擬仿真實驗教學中心中立項較多，虛擬仿真資源建設和投入力度持續增加，略強于“985工程”高校，但總體上不同層次的高校項目建設分布趨于均衡[1]。

1.3 地區分布情況

按地區分布情況見表4。

表4 省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目的地區分布

96個項目覆蓋了我省南京、徐州、蘇州、常州、無錫、南通、淮安、揚州、鎮江、鹽城、連云港等11個省轄市(泰州市、宿遷市空白)，其中南京地區高校擁有項目43個，遠遠領先于其他省轄市。蘇南地區共有項目65個，占了67.71%；蘇北地區(徐州、淮安、鹽城、連云港)有22個，占了22.92%；蘇中地區2個市(南通、揚州)僅有9個，占了9.38%。從地區分布上看，蘇南地區高校特別是南京市高校的項目建設走在了全省前列，整體實力相對較強。說明經濟發達地區的高校，實驗教學理念超前，改革的步伐較快，對虛擬仿真實驗教學項目建設投入比較多，建設成效顯著[1]。

1.4 項目情況

項目類型分布情況見表5。

表5 省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目類型分布

虛擬與仿真的主要區別在于虛擬不出現目標實物，而仿真則有實物模型。仿真實驗是用另一數據處理系統，主要是硬件來全部或部分地模仿某個數據處理系統，從而使模仿的系統能像被模仿系統一樣接收同樣的數據，執行同樣的程序，獲得同樣的結果。它以仿真為表現形式，情境、過程、結果有真實感，使學習者獲得真實體驗。虛擬實驗則是在虛擬環境中進行的實驗，主要是對虛擬物進行操作，實驗過程可由實驗者部分或完全控制，實驗的結果可以被存儲、處理、再現。它是以虛擬為手段，構建虛擬的實驗環境包括對象、工具、場景等，建立模擬的實驗系統(如數學模型)，模擬實驗條件、參數，獲得虛擬的實驗結果。模擬實驗是選取某個物理的或抽象的系統的若干關鍵行為為特征，用另一個系統來表述其核心過程。遠程實驗利用計算機網絡技術，通過網絡遠程與實際實驗環境進行交互，完成實驗的系統。虛擬儀器實驗是學習者借助完全取代傳統的儀器功能的計算機軟件，來實現傳統儀器的模塊化、定制化操作。從表5中可以看出仿真實驗與虛擬實驗居多，說明相比較而言，這2類實驗的項目設計開發比較成熟，在線開放的可行性更高一些[1]。

技術類別分布情況見表6。

表6 省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目技術類別分布

可以看出，交互式多媒體與虛擬現實是目前項目采用的主流技術。未來新興技術如自適應學習、移動學習、物聯網、人工智能技術等將越來越多地運用到虛擬仿真實驗上來[2]。當然同一個項目中可以同時含有多種實驗類型及技術類型，這里面有交叉重疊部分，但是總體趨勢不受影響[1]。

資源類型分布情況見表7。

表7 省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目資源類型分布

程序是具有信息處理能力的裝置執行的代碼化指令序列，由數據結構和算法構成。系統包含軟硬件系統、數據庫系統等，是高度集成的虛擬仿真的人機交互一體化系統。程序占比達80.21%，說明目前系統比較復雜，與互聯網技術結合的環境要求、技術要求較高，實施在線開放的難度較大，程序在線開放共享比系統實現起來相對容易些。但在研究中發現，資源類型還包括系列靜態模型(立體居多)、虛擬動畫、軟件等[1]。

知識產權情況分布見表8。

表8 省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目知識產權情況分布

表明學校自主開發的項目與校企聯合二次開發的項目各占半壁江山，呈現良好的發展勢頭，未來要引導更多的自主知識產權的項目出現[1]。

2 建設路徑

2.1 建設規范

我省要求在線開放虛擬仿真實驗教學項目，必須依托省級虛擬仿真共享平臺建設使用，并制定相應技術規范，滿足多專業、多學校和多地區共同開展虛擬仿真實驗教學的需求。在對項目的開發建設研究中對其內涵外延有了新的理解。

在線開放虛擬仿真實驗教學項目，又稱為基于虛擬仿真技術的大規模在線開放實驗(簡稱MOOE，即massive open online experiments based on virtual simulation technology)[3]，它一般依托某一類或整合相關實驗課程、某一實驗教學環節(操作流程、物流作業、技能訓練等)或按一定的邏輯規律進行歸類來設計開發的系列靜態模型(立體居多)、虛擬動畫、軟件、程序、系統或上述組成的分層次的功能模塊(群)，具有自主知識產權或共享知識產權。它以虛擬仿真技術和分布式存儲技術為核心，以寬帶網絡平臺為基礎，以大型、綜合型、創新型實驗項目為主體，通過提供具有良好沉浸感、臨場感、交互感、輕松感、愉悅感、滿足感的虛擬仿真實驗氛圍，創造真實的學習體驗，激發學生參與實驗的興趣，有效促進學生多學科、多專業、多課程知識點的融會貫通和綜合能力的塑造。理想狀態下的省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目是直接在互聯網上運行的格式，客戶端使用時無須下載或安裝任何程序、插件即可運行使用。但人機交互、軟硬件結合的系統項目只能采取部分網絡化模擬運行、部分通過網絡預約實地去操作。

省級在線開放虛擬仿真實驗教學項目需要包含的基本信息與數據規范見表9。

表9 項目基本信息數據規范

同時本著開放共享、集中管理、分散建設的原則，依據資源的不同分類與容量大小進行相應處理：

(1) 完全共享資源(單個資源容量大小在100 MB以下且可直接瀏覽使用)。此類資源可以通過轉存等方式直接把相關資源上傳或者遷移到省級虛擬仿真共享平臺中，用戶通過平臺提供登錄權限，直接在省級虛擬仿真共享平臺瀏覽共享使用資源。

(2) 選擇共享資源(單個資源容量大小在100 MB以上且可直接瀏覽使用)。此類資源要求學校提供專用服務器和平臺進行資源的建設管理及維護，按照共享建設要求，通過WebService接口將資源信息推送省級虛擬仿真共享平臺，用戶可通過省級虛擬仿真共享平臺遠程訪問和使用資源。

(3) 條件共享資源(資源容量大小在100 MB以上且需要口令登錄方可瀏覽使用)。此類資源要求學校提供專用服務器和平臺進行資源的建設管理及維護，按照共享建設要求，使用省級虛擬仿真共享平臺提供的賬號密碼，直接登錄使用指定的虛擬仿真實驗教學資源。

用戶在瀏覽使用共享資源時，省級虛擬仿真共享平臺會記錄用戶瀏覽使用資源的情況，省級虛擬仿真共享平臺管理員可以授權給各高校管理員查看用戶使用本校共享資源的記錄和貢獻度。

2.2 建設管理

省級虛擬仿真實驗教學項目實行動態管理，“立項項目”公布后，在規定時間內未能與省級虛擬仿真共享平臺實現對接、不能實現在線開放共享的(省級虛擬仿真實驗教學項目須通過共享平臺，在平臺建設期3年內免費提供給各高校使用)，則取消其省級虛仿真實驗教學項目稱號?！芭嘤椖俊表毰c省共享平臺虛擬仿真項目庫建設標準和技術規范對接，1年的培育建設期滿后接入共享平臺開放共享。各高校符合條件的虛擬仿真實驗教學項目，可自薦接入省級虛擬仿真共享平臺使用?！芭嘤椖俊焙汀白运]項目”接入平臺運行良好并免費開放共享滿2年，驗收合格的授予省級虛擬仿真實驗教學項目稱號。

省教育廳委托省級實驗教學與實踐教育中心聯席會根據使用績效，定期評選省級優秀虛擬仿真實驗教學項目。省級優秀虛擬仿真實驗教學項目優先推薦參加國家級虛擬仿真實驗教學項目遴選。省教育廳組織成立省級虛擬仿真共享平臺建設專家委員會，統籌指導共享平臺及虛擬仿真項目建設。各高校則成立相應的組織機構。省財政給予省級虛擬仿真共享平臺一定的經費資助，省級虛擬仿真項目由學校資助建設，各高校可引入企業等社會力量多渠道籌措建設資金。

3 建設展望

對高校而言，一要加強信息化教師隊伍建設，提升教師的數字素養，完善運行機制，進一步吸引教師參與虛擬仿真實驗教學項目的開發，引導教師形成“學習需求導向”的教學理念，積極探索未來實驗教學形態；二要充分發揮在線教育和泛在學習的優勢，推動校際間學分互認，促進傳統教育與在線教育的有機融合；三要建立項目資源準入機制，通過建立資源遴選標準、評審流程，明確項目資源的質量要求，依托專家組對虛擬仿真實驗教學項目的必要性、內容、特色和設計進行全方位審核；四要加強實驗信息化教學研究，多設計出基于建構主義與聯通主義學習理論的“互聯網+”虛擬仿真實驗教學項目，有力促進學生深度學習、協作學習和個性化自主學習[4-7]。

對主管部門來說，一要做好頂層設計，發揮江蘇省高校實驗室研究會、江蘇省高校實驗教學與實踐教育中心聯席會等學術團體指導作用，開展在線開放虛擬仿真實驗項目理論、教學模式與學習方式、共享模式、核心技術等研究與實踐，形成虛擬仿真實驗教學項目系列信息化標準和技術規范；二要制定配套政策，明確項目資源與科研院所、行業企業、社會共建共享途徑，建立項目資源共建共享激勵機制，成立學分互認聯盟，構建學分認定與轉換運行體系，營造共建共享文化氛圍；三要完善省級虛擬仿真共享平臺，平臺是項目對外開放共享的基礎，推動企業、高校、政府在項目、平臺的技術開發升級、平臺運行維護等方面深度合作，探索平臺企業化運行模式，健全有償服務機制，支持使用者按需購買資源與服務；四要履行好監管職責，制定項目質量保證體系并完善標準化評價指標體系，建立使用者網上評價和專家審查相結合的資源評價機制，形成真正意義上的共建共享[8]。

4 結語

在線開放虛擬仿真實驗項目的大規模共享運用,將極大地改變高等教育的原生態,作為一道在線學習的靚麗風景線,將與慕課、微課等一起，幫助不同地區、不同階層的學生“無差別”獲取優質教育資源，促進優質教育資源的均衡，為打造智慧學習[9]，培養創新型人才，從而為經濟社會轉型發展提供源源不斷的智力支持。

References)

[1] 祖強，魏永軍.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現狀探析[J].實驗技術與管理，2015，32(11)：156-158.

[2] 金慧，胡盈瀅，宋蕾.技術促進教育創新:新媒體聯盟《地平線報告》(2017高等教育版)解讀[J].遠程教育雜志，2017，35(2)：3-8.

[3] 崔貫勛，熊建萍.基于虛擬仿真技術的MOOE實踐教學平臺開發[J].實驗技術與管理，2016，33(4)：103-107.

[4] 胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索，2015，34(2)：140-144.

[5] 劉妍，顧小清，顧曉莉,等.教育系統變革與以學習者為中心的教育范式:再訪國際教學設計專家瑞格魯斯教授[J].現代遠程教育研究，2017(1):13-20.

[6] 蘭廳，李欣，李歡歡,等.基于虛擬現實的數字化學習資源設計研究[J].電腦知識與技術，2016，17(12):199-201.

[7] 王志軍，陳麗.聯通主義學習理論及其最新進展[J].開放教育研究，2014，20(5)：11-28.

[8] 蔡建秋，金清理，李士本,等.構建實驗項目評價機制推動實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2013，30(7):150-152.

[9] 黃榮懷，劉德建 ，樊磊，等.2015中國智慧學習環境白書皮[M].北京:北京師范大學智慧學習研究院,2015.

Exploration on construction of provincial online open virtual simulation experimental teaching projects

Zu Qiang1, Wei Yongjun2, Xiong Hongqi3

(1. Academic Administration Office, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China; 2. Higher Education Office, Jiangsu Provincial Department of Education, Nanjing 210024, China; 3. Laboratory and Equipment Management Department, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The online open virtual simulation experimental teaching projects are the achievements of deepening the supply-side structural reform of the experimental teaching, and are also the inevitable outcome of the integration of information technology and experimental teaching. In 2016, Jiangsu province took the lead in carrying out the selection and construction of the provincial online virtual simulation experimental teaching projects. From the following three aspects: the current construction situation, the construction path and the construction prospect of the provincial online open virtual simulation experimental teaching projects, a useful discussion is conducted on the connotation extension and the sustainable development for such projects.

virtual simulation; experimental teaching project; online opening; resource sharing

G642.0

B

1002-4956(2017)10-0153-05

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.038

2017-04-05

2015年江蘇省高等教育教改研究立項重點課題“江蘇省高校虛擬仿真實驗教學資源共享機制研究及平臺構建實踐”(2015JSJG069)

祖強(1975—)，男，江蘇南京，在讀博士研究生，副研究員，主要從事實驗教學管理、實驗室建設與管理工作.

E-mail：zuqiang1975@163.com